Współcześnie nawigacja morska jest realizowana przede wszystkim w oparciu o informacje pozyskiwane za pośrednic-twem odbiorników globalnych systemów nawigacji satelitar-nej – GNSS. Do grupy tych systemów, wykazujących pełną gotowość operacyjną, zaliczają się amerykański GPS i rosyjski GLONASS, a także satelitarne geostacjonarne systemy wspo-magające jak WAAS (USA) czy EGNOS (Europa). Niezaprze-czalnymi zaletami systemów GNSS są ich globalny zasięg, stosunkowo duża dokładność wyznaczanej pozycji, brak opłat za korzystanie oraz szeroki wybór dostępnych na rynku odbior-ników. Należy jednak mieć na uwadze to, że ograniczanie się do jednego źródła danych nawigacyjnych wiąże się z ryzykiem. Istnieje bowiem szereg sytuacji, w których skorzystanie z infor-macji dostarczanych przez satelity GPS czy GLONASS może być utrudnione lub wręcz niemożliwe. W przypadku żeglugi re-alizowanej w niewielkich odległościach od linii brzegowej do-brym wsparciem dla nawigacji satelitarnej może być nawigacja terestryczna lub radarowa. W przypadku żeglugi pełnomorskiej i oceanicznej jest możliwe jedynie wspomaganie GNSS nawi-gacją zliczeniową lub inercyjną, które jednakże wyznaczają po-łożenie względem jednej z poprzednich pozycji statku oraz są obarczone narastającym błędem dokładności. Alternatywą jest nawigacja astronomiczna, która wymaga odpowiednich umie-jętności nawigatora oraz korzystnych warunków meteorologicz-nych.
Działanie systemów GNSS, w tym zapewnienie możliwości powszechnego dostępu do sygnałów nawigacyjnych, jest regu-lowane przez rządy państw, do których należą satelity i naziem-na infrastruktura kontrolnaziem-na poszczególnych systemów. Nie jest zatem wykluczone, że, w szczególnych warunkach, korzystanie z takiego systemu będzie ograniczone na przykład do armii da-nego kraju. Taki scenariusz jest jednak znacznie mniej praw-dopodobny niż sytuacja, w której poprawny odbiór sygnałów z satelitów jest niemożliwy ze względu na, nieświadome lub ce-lowe, zakłócanie tych sygnałów. Należy mieć świadomość tego, że sygnały pochodzące z satelitów GNSS mają przy powierzch-ni Ziemi moc rzędu 10-16 W [4], czyli wielokrotnie mniejszą
od mocy szumu termicznego o takiej samej szerokości pasma częstotliwości. Zatem, nawet urządzenie nadające sygnały o sto-sunkowo niewielkiej mocy (rzędu kliku watów) może uniemoż-liwić funkcjonowanie odbiorników GNSS w promieniu wielu kilometrów. Aktualnie w sprzedaży są oferowane przenośne lub samochodowe urządzenia zagłuszające sygnały GPS (ang. GPS jammers), pomimo że ich użytkowanie jest niezgodne z prawem [6]. Zagłuszanie jest najprostszą formą zakłócania, w której sze-rokopasmowy sygnał niepożądany ma zwykle charakter pseu-doszumowy lub postać fali ciągłej z liniową modulacją często-tliwości.
Znacznie bardziej zaawansowaną formą zaburzania pracy odbiorników GNSS jest tzw. spoofing. W tym przypadku urzą-dzenie zakłócające (spoofer) emituje sygnały imitujące te, które docierają z satelitów nawigacyjnych do odbiornika stanowią-cego cel ataku. Parametry sygnałów imitujących oraz depesze w nich zawarte są dobrane tak, aby na ich podstawie odbiornik wyznaczył nieprawidłowe wartości bieżącego położenia, pręd-kości lub czasu. W przeciwieństwie do zagłuszania, moc sygna-łów niepożądanych na wejściu odbiornika nie musi być wielo-krotnie większa od mocy sygnałów odbieranych z satelitów [2].
Prowadzone na całym świecie niezależne badania wykaza-ły, że cywilne odbiorniki systemu GPS, korzystające wyłącznie z sygnałów C/A nadawanych w pasmie L1, są podatne na ataki typu spoofing. Próby przeprowadzane w kontrolowanych wa-runkach wykazały możliwość zdalnej modyfikacji współrzęd-nych położenia wyznaczawspółrzęd-nych przez odbiorniki [8]. Zagrożenie dla nawigacji morskiej potwierdza eksperyment przeprowadzo-ny latem 2013 roku przez zespół z Texas University. Poprzez spoofing GPS zdołali oni spowodować zmianę kursu luksu-sowego jachtu płynącego po Morzu Śródziemnym [1]. Jest to przykład obrazujący potencjał zagrożenia dla wszystkich pojaz-dów sterowanych w sposób autonomiczny na podstawie sygna-łów nawigacji satelitarnej.
Ze względu na określoną postać i stosunkowo niewielką moc sygnałów imitujących, a także ze względu na brak
jednoznacz-Dr inż. Jarosław Magiera, prof. dr hab. inż. Ryszard J. Katulski Politechnika Gdańska, Wydział Elektroniki, Telekomunikacji i Informatyki
nych objawów nieprawidłowej pracy odbiornika, wykrycie spoofingu konwencjonalnymi metodami (na przykład analiza widmowa) jest praktycznie niemożliwe. Pomimo, że na ryn-ku są dostępne odbiorniki GPS wyposażone w środki ochrony przed zagłuszaniem [9], dotychczas nie są oferowane urządze-nia, które zapewniałyby skuteczną ochronę przed spoofingiem. W związku z tym, zachodzi potrzeba opracowania efektywnych rozwiązań antyspoofingowych.
W publikacjach naukowych poświęconych problemowi spoofingu GNSS można znaleźć propozycje sposobów prze-ciwdziałania skutkom takiego ataku [7]. Zasadniczo, można wyróżnić dwie grupy metod antyspoofingowych. Do pierwszej z nich należą metody związane z samym wykryciem obec-ności spoofingu. Z kolei druga grupa obejmuje rozwiązania umożliwiające zapewnienie prawidłowej pracy odbiornika, do którego docierają sygnały imitujące. Metody w ramach każdej z tych grup są w dużym stopniu zróżnicowane pod względem niezawodności, a także złożoności implementacyjnej i nakła-du przetwarzania. Najprostsze metody wymagają jedynie mo-dyfikacji oprogramowania odbiornika, jednakże zwykle są one skuteczne jedynie w przypadku mniej wyrafinowanych ataków, w których parametry sygnałów imitujących (na przykład moc czy stosunek sygnał – szum) znacząco odbiegają od wartości obserwowanych w przypadku odbioru autentycznych sygnałów. Skuteczną ochronę przeciwko spoofingowi mogłoby zapewnić wprowadzenie weryfikacji autentyczności odbieranych sygna-łów poprzez środki kryptograficzne. Takie rozwiązanie wymaga jednakże modyfikacji po stronie satelitów, a ponadto musiałoby ono zapewniać kompatybilność z dotychczasowymi odbiornika-mi. Inną skuteczną metodą zabezpieczenia przed spoofingiem jest korzystanie z dodatkowego niezależnego źródła informacji o czasie i położeniu, niemniej zastosowanie takiego rozwiąza-nia nie zawsze jest możliwe. Biorąc pod uwagę jedynie meto-dy antyspoofingowe niewymagające mometo-dyfikacji istniejących sygnałów oraz korzystania z innych systemów, za najbardziej niezawodne można uznać te, które bazują na analizie prze-strzenno-czasowej odbieranych sygnałów GNSS [3]. Zakłada się w nich, że wszystkie sygnały imitujące są nadawane przez spoofer za poprzez tę samą antenę i, w związku z tym, docierają do odbiornika z tego samego kierunku. W niniejszej publikacji zaprezentowano autorską koncepcję systemu
antyspoofingowe-go działająceantyspoofingowe-go właśnie na podstawie metod przestrzennej ana-lizy i przetwarzania sygnałów GPS. W kolejnej części referatu opisano główne założenia dotyczące zasady działania i budowy systemu. Następnie, przedstawiono implementację prototypu tego systemu służącego do empirycznej weryfikacji efektywno-ści wykrywania i eliminacji spoofingu. W ostatniej częefektywno-ści do-konano analizy wybranych wyników przeprowadzonych badań pomiarowych.
SYSTEM ANTYSPOOFINGOWY GPS
Jak wspomniano, metody wykrywania spoofingu GNSS po-przez analizę parametrów przestrzennych były już opisywane w literaturze. Niemniej jednak, dotychczas nie zaproponowano kompleksowego rozwiązania, które umożliwiałoby zarówno de-tekcję, jak również eliminację sygnałów imitujących na wejściu odbiornika. W opisywanym systemie, którego schemat przed-stawiono na rys. 1, detekcja spoofingu bazuje na analizie sygna-łów GPS odbieranych przez M elementów szyku antenowego. Wartości parametrów wyznaczane podczas tej analizy są prze-kazywane do modułu eliminacji spoofingu, który dokonuje se-lektywnej filtracji sygnałów imitujących, charakteryzujących się takimi samymi właściwościami kierunkowymi. Dominującymi składowymi sygnału na wyjściu systemu są sygnały autentyczne pochodzące z satelitów. Taki sygnał, podany na wejście standar-dowego odbiornika GPS, powinien umożliwiać estymację pra-widłowych danych o czasie, położeniu i prędkości odbiornika.
Aby odbiornik GPS mógł określić swoje położenie w trój-wymiarowym układzie współrzędnych, konieczny jest odbiór sygnałów pochodzących z co najmniej czterech satelitów. Za-tem spoofer, imitujący rzeczywistą konstelację satelitów, na-daje nie mniej niż cztery sygnały GPS równocześnie. W takim przypadku spoofing można wykryć, stwierdzając odbiór co naj-mniej czterech sygnałów pochodzących z tego samego kierun-ku, co w przypadku braku spoofingu jest sytuacją niespotykaną. W proponowanym rozwiązaniu nie jest dokonywana estymacja samych kierunków nadejścia sygnałów, gdyż błąd estymacji tego parametru jest zależny od liczby i ułożenia anten w szy-ku oraz od rzeczywistego kierunszy-ku nadejścia sygnału. Ponadto, wyznaczenie właściwego kierunku nadejścia sygnału wymaga
precyzyjnej kalibracji szyku antenowego. Zamiast tego, dla każdego odbieranego sygnału są estymowane jego opóźnienia fazowe wynikające z różnic czasu propagacji od źródła do po-szczególnych elementów antenowych szyku. Dzięki temu praw-dopodobieństwo detekcji spoofingu, które zależy od błędu esty-macji tych opóźnień, nie jest uzależnione od kierunku nadejścia sygnałów imitujących do odbiornika.
Właściwy proces detekcji spoofingu polega na porównaniu odpowiednich opóźnień fazowych wyznaczonych dla wszyst-kich sygnałów GPS odbieranych w danej chwili. Jeśli wśród tych sygnałów znajdują się takie, dla których wszystkie różnice opóźnień fazowych są mniejsze niż pewna wartość progowa, zostaje podjęta pozytywna decyzja o wykryciu spoofingu. War-tość progu detekcji jest uzależniona od czynników takich jak: dopuszczalne prawdopodobieństwo fałszywego alarmu, jakość odbieranych sygnałów imitujących (wyrażona stosunkiem sy-gnał – szum) oraz hipotetyczna liczba tych sysy-gnałów. Wszystkie sygnały, dla których będą stwierdzone odpowiednio małe róż-nice opóźnień fazowych, zostają uznane za sygnały imitujące.
Blok eliminacji sygnałów imitujących, podobnie jak moduł detekcji spoofingu, przetwarza sygnały z wyjść wszystkich ele-mentów szyku antenowego. Proces eliminacji jest realizowany poprzez adaptacyjną filtrację przestrzenną. Polega ona na takim ukształtowaniu charakterystyki odbiorczej szyku antenowe-go, aby sygnały docierające z określonego kierunku (sygnały charakteryzujące się takimi samymi wartościami opóźnień fa-zowych) były tłumione znacznie silniej niż sygnały z innych kierunków. Taki sposób formowania charakterystyki kierun-kowej jest nazywany kierowaniem zerami (ang. null-steering). Uzyskanie pożądanego kształtu jest możliwe poprzez fazowa-nie szyku, czyli odpowiednią modyfikację zależności fazowych (często również amplitudowych) pomiędzy sygnałami z wyjść poszczególnych anten odbiorczych. W zaproponowanym syste-mie fazowanie szyku jest realizowane w oparciu o, wyznaczo-ne na etapie detekcji spoofingu, uśredniowyznaczo-ne wartości opóźnień fazowych sygnałów imitujących. Zatem realizowana filtracja przestrzenna ma charakter adaptacyjny, uzależniony od aktu-alnego kierunku nadejścia sygnałów spoofera. Na możliwy do uzyskania poziom tłumienia tych sygnałów ma wpływ dokład-ność estymacji opóźnień fazowych, uzależniona od stosunku sygnał – szum.
Wstępną ocenę efektywności prezentowanego systemu prze-prowadzono na drodze badań symulacyjnych. W ramach tych badań dokonano oszacowania prawdopodobieństwa detekcji spoofingu dla przypadków odbioru od czterech do ośmiu sygna-łów imitujących o rożnych wartościach stosunku sygnał – szum. Stwierdzono, że, dla dopuszczalnego prawdopodobieństwa fał-szywego alarmu na poziomie 10-4, wysokie
prawdopodobień-stwo detekcji można uzyskać już dla czterech sygnałów imitu-jących o przeciętnej jakości (parametr C/N0 powyżej 40 dBHz).
Natomiast przy większej liczbie sygnałów imitujących prawi-dłowa detekcja spoofingu jest możliwa również dla sygnałów o gorszej jakości. Poprzez symulacje wykazano również, że proces filtracji przestrzennej, w warunkach pełnej widoczności nieba, nie będzie eliminował sygnałów autentycznych w stopniu uniemożliwiającym wyznaczenie pozycji odbiornika. Bardziej szczegółowy opis oraz wyniki przeprowadzonych badań symu-lacyjnych można znaleźć w [5].
PROTOTYP SYSTEMU
Badania symulacyjne umożliwiły uzyskanie pozytywnej odpowiedzi na pytanie o zasadność stosowania proponowane-go rozwiązania w celu wykrywania i eliminacji spoofingu GPS. Jednakże, aby dokonać pełnej oceny efektywności systemu, konieczna była realizacja badań pomiarowych w warunkach laboratoryjnych i polowych. Do przeprowadzenia takich badań niezbędny był prototyp systemu.
Prototyp opracowano w technice radia programowalnego SDR (ang. software defined radio), co oznacza, że jego działanie jest w głównej mierze oparte na algorytmach cyfrowego
prze-Rys. 2. Czteroelementowy szyk aktywnych anten GPS
twarzania sygnałów realizowane przez oprogramowanie. Sprzę-towa, analogowa część prototypu służy jedynie do wstępnego przetworzenia sygnałów. W jej skład wchodzi czteroelemen-towy szyk antenowy, którego widok przedstawiono na rys. 2. Zastosowano w nim aktywne anteny mikropaskowe o wzmoc-nieniu 24 dB. Tworzą one układ w konfiguracji kwadratu o boku długości 8,6 cm, co odpowiada 0,45 długości fali sygnału GPS na częstotliwości L1 równej 1575,42 MHz. Taka konfiguracja anten jest zgodna z modelem przyjętym w badaniach symula-cyjnych.
Sygnały z wyjść anten są następnie przetwarzane w czterech identycznych torach w.cz. (rys. 3), na które składają się: układ zasilania anteny aktywnej (ang. bias tee), filtr pasmowoprzepu-stowy obejmujący pasmo L1 od 1530 MHz do 1620 MHz oraz wzmacniacz szerokopasmowy o wzmocnieniu około 39 dB. Funkcją torów w.cz. jest przede wszystkim zapewnienie odbie-ranym sygnałom GPS mocy wymaganej do poprawnej konwer-sji na postać cyfrową, która jest realizowana przez moduły radia programowalnego NI-USRP 2920. Przed właściwym przetwo-rzeniem analogowo-cyfrowym moduły te sprowadzają sygnały z pasma w.cz. do pasma podstawowego i dokonują dolnoprzepu-stowej filtracji antyaliasingowej. Próbki z wyjścia przetwornika A/C są przesyłane, za pośrednictwem interfejsu Gigabit Ether-net, do komputera PC, którego oprogramowanie realizuje zasad-niczą część przetwarzania sygnałów. Do poprawnej estymacji opóźnień fazowych sygnałów jest wymagana synchronizacja czasowa i częstotliwościowa modułów USRP. W prezentowa-nym prototypie jest ona zapewniana przez wzorzec rubidowy. Zestaw użytych czterech urządzeń USRP wraz z wzorcem czę-stotliwości przedstawiono na rys. 4.
Oprogramowanie komputera PC operuje na sekwencjach próbek sygnałów odbieranych przez wszystkie anteny szyku. Przetwarzanie sygnałów z pierwszej anteny różni się od pozo-stałych i rozpoczyna się od dwóch etapów, które są realizowane w każdym odbiorniku GPS. Pierwszym z tych etapów przetwa-rzania jest tak zwana akwizycja sygnałów GPS. Wynikiem tej procedury jest identyfikacja numerów satelitów przypisanych do odbieranych sygnałów (tak zwany SVID) oraz uzyskanie wstęp-nej synchronizacji czasowej i częstotliwościowej odbiornika do tych sygnałów. Po zakończeniu akwizycji każdy wykryty sygnał GPS podlega tak zwanemu procesowi śledzenia, w którym
syn-chronizacja jest utrzymywana na bieżąco dzięki monitorowaniu, w dwóch sprzężonych ze sobą pętlach, zmian opóźnienia i czę-stotliwości sygnału. Podczas śledzenia jest odtwarzana replika odbieranego sygnału GPS. Mnożenie zespolone tej repliki z od-powiednimi sygnałami odbieranymi przez inne anteny umoż-liwia estymację opóźnień fazowych sygnału pomiędzy anteną pierwszą i pozostałymi. Następnie, wyznaczane są różnice od-powiednich opóźnień fazowych pomiędzy wszystkimi aktualnie odbieranymi sygnałami. Jeśli dla co najmniej czterech spośród tych sygnałów wszystkie różnice są mniejsze niż wartość pro-gowa, zostaje stwierdzona obecność spoofingu. Próg detekcji jest uzależniony od rozpatrywanej liczby sygnałów odbieranych oraz od ich stosunku sygnał – szum.
W przypadku wykrycia spoofingu są wyznaczane uśrednio-ne opóźnienia fazowe sygnałów imitujących. Opóźnienia te są przekazywane do modułu programowego realizującego funkcje filtru przestrzennego. Na podstawie bieżących wartości opóź-nień są wyznaczane zespolone współczynniki wagowe, przez które są mnożone próbki sygnałów z poszczególnych anten. Suma sygnałów przemnożonych przez współczynniki odpowia-da sygnałowi odbieranemu przez pojedynczą antenę o charak-terystyce kierunkowej wykazującej silne tłumienie sygnałów nadchodzących z jednego ustalonego kierunku. Modyfikacja współczynników umożliwia adaptacyjny wybór tego kierunku.
POMIAROWE BADANIA EFEKTYWNOŚCI SYSTEMU
Badania z użyciem opracowanego prototypu przeprowa-dzono w trzech etapach. Różniły się one warunkami transmi-sji sygnałów oraz konfiguracją stanowiska badawczego. We wszystkich badaniach rolę spoofera, czyli źródła sygnałów imi-tujących, pełnił wektorowy generator sygnałów umożliwiający nadawanie maksymalnie ośmiu sygnałów GPS równocześnie.
Celem badań realizowanych w pierwszym etapie była we-ryfikacja wyników badań symulacyjnych, w których określono prawdopodobieństwo detekcji spoofingu w funkcji stosunku sy-gnał – szum (parametr C/N0) oraz liczby sygnałów imitujących.
Prawdopodobieństwo detekcji w badaniach pomiarowych stano-wiło procent czasu, w którym wszystkie różnice opóźnień fazo-wych dla określonej liczby odbieranych sygnałów były mniejsze
niż wartość progowa. Aby zapewnić warunki transmisji zbliżo-ne do modelu kanału przyjętego w badaniach symulacyjnych (kanał z addytywnym białym szumem gaussowskim), genera-tor sygnałów połączono przewodowo z wejściami genera-torów w.cz. prototypu systemu. Wyniki uzyskane dla przypadku transmisji czterech sygnałów imitujących przedstawiono na rys. 5. Anali-zowany zakres zmienności parametru C/N0 obejmował wartości
od 38 dBHz (sygnały o niskiej jakości) do 63 dBHz (sygnały o bardzo wysokiej jakości). Czarna krzywa reprezentuje zależ-ność prawdopodobieństwa detekcji spoofingu od C/ N0,
uzyska-ną poprzez aproksymację wyników badań symulacyjnych. Jak można zauważyć, wyniki badań pomiarowych są zbieżne z tą krzywą. Zgodność wyników symulacji i pomiarów stwierdzo-no również dla scenariuszy, w których nadawastwierdzo-no od pięciu do ośmiu sygnałów GPS.
Badania przeprowadzone w drugim etapie służyły wyka-zaniu poprawności działania algorytmu filtracji przestrzennej w warunkach laboratoryjnych. Wymagało to zestawienia stano-wiska badawczego w taki sposób, aby na wejściach prototypu były obecne sygnały o różnych opóźnieniach fazowych. W tej konfiguracji generator wytwarzał pięć sygnałów GPS. Cztery z nich, odpowiadające sygnałom imitującym o identyfikatorach SVID 12, 15, 22 i 29, były przesyłane przewodowo, podobnie jak w etapie pierwszym. Natomiast piąty sygnał, reprezentujący sygnał rzeczywisty o identyfikatorze 20, był nadawany drogą radiową i odbierany przy użyciu szyku antenowego. Był on su-mowany z sygnałami imitującymi przed podaniem na wejście torów w.cz. prototypu. Oceny działania filtru przestrzennego do-konano poprzez obserwację wartości parametru C/N0 poszcze-gólnych sygnałów przed i po filtracji. Na rys. 6. przedstawiono uzyskane wyniki. Po lewej stronie zobrazowano wartości C/N0 zarejestrowane dla przypadku bez użycia filtracji przestrzennej. Dla sygnałów imitujących, nadawanych ze stałą mocą, wartość C/N0 utrzymywała się na wysokim poziomie powyżej 50 dBHz. Natomiast moc sygnału o identyfikatorze 20 była stopniowo zwiększana w trakcie badania, począwszy od poziomu
odpowia-dającego wartości C/N0 około 35 dBHz do osiągnięcia
warto-ści C/N0 zbliżonej do sygnałów imitujących. Wykres po prawej
stronie przedstawia wartości C/N0 dla tych samych sygnałów,
w tych samych chwilach, jednakże z zastosowaniem filtracji przestrzennej. Jest zauważalny wyraźny spadek wartości C/N0
sygnałów imitujących poniżej 35 dBHz, co odpowiada stosun-kowi mocy sygnał – szum mniejszemu od -28 dB, a więc sygna-łowi o bardzo niskiej jakości. Widoczna jest poprawa jakości sy-gnału rzeczywistego, dla którego średni wzrost C/N0, wywołany
stłumieniem sygnałów imitujących, wyniósł około 7 dB. Można na tej podstawie stwierdzić, że implementację algorytmu filtra-cji przestrzennej wykonano poprawnie.
W ostatnim etapie badań przeprowadzono testy systemu w warunkach polowych, co umożliwiło dokonanie jego oceny z punktu widzenia praktycznego zastosowania. W tym etapie szyk antenowy znajdował się na zewnątrz budynku i docierały do niego rzeczywiste sygnały z satelitów GPS oraz sygnały imi-tujące nadawane przez generator połączony z anteną kierunko-wą umieszczoną wewnątrz budynku. Aby określić warunki re-ferencyjne dla oceny działania systemu, w pierwszej kolejności dokonano analizy liczności i wartości C/N0 sygnałów rzeczywi-stych odbieranych przy braku spoofingu. Najczęściej odbierano sygnały z trzech lub czterech satelitów (odpowiednio 40% i 33% pomiarów). Ta stosunkowo niewielka liczba sygnałów była spo-wodowana przesłonięciem części nieba przez budynek. Z kolei najczęściej rejestrowana wartość C/N0 była równa 42 dBHz.
We właściwych badaniach, prowadzonych w obecności spo-ofingu, generator, podobnie jak w etapie pierwszym, nadawał od czterech do ośmiu sygnałów GPS. W celu dokonania oceny efektywności systemu analizowano liczbę sygnałów rzeczy-wistych oraz wartości C/N0 wszystkich odbieranych sygnałów
GPS przed i po filtracji przestrzennej. Na rys. 7 zobrazowano wartości C/N0 zarejestrowane w przypadku scenariusza, w
któ-rym nadawano sześć sygnałów imitujących. Na każdym z wy-kresów oś pozioma reprezentuje numer pomiaru, oś pionowa identyfikator satelity SVID. Skala kolorów odpowiadających
Rys. 6. Wartości C/N0 przed i po filtracji przestrzennej (warunki laboratoryjne)
zmierzonym wartościom C/N0 obejmuje zakres od 30 dBHz
(ko-lor niebieski) do 63 dBHz (ko(ko-lor czerwony). Wykres po lewej stronie reprezentuje warunki przed filtracją przestrzenną, gdzie było obecnych sześć sygnałów imitujących (SVID: 9, 10, 13, 15, 21 i 24) o wartościach C/N0 powyżej 50 dBHz. Obecność
po-jedynczych sygnałów rzeczywistych stwierdzano w stosunkowo niewielkiej liczbie pomiarów, gdyż zostały one zamaskowane przez sygnały spoofera.
Na wykresie po prawej stronie, reprezentującym sytuację po eliminacji spoofingu, widać, że sygnały imitujące wyelimi-nowano całkowicie oraz, że znacząco poprawiła się możliwość
Rys. 7. Wartości C/N0 przed i po filtracji przestrzennej (warunki rzeczywiste)
odbioru sygnałów rzeczywistych. Średnia wartość C/N0
sygna-łów imitujących zmalała z 54,4 dBHz do 37,9 dBHz, natomiast w przypadku sygnałów autentycznych wzrosła z 32,3 dBHz do 43,2 dBHz. Dane dotyczące rozkładu liczby odbieranych sygna-łów rzeczywistych przedstawiono w tabl. 1. Przed eliminacją spoofingu w niemal 90% pomiarów nie był możliwy odbiór ani jednego sygnału z satelity GPS. Natomiast po zastosowaniu fil-tracji przestrzennej w ponad 80% przypadków wykrywano co najmniej trzy sygnały rzeczywiste. Najczęściej był możliwy od-biór dokładnie trzech sygnałów, co jest zgodne z określonymi wcześniej wartościami referencyjnymi.
PODSUMOWANIE
Przedstawione wyniki badań pomiarowych potwierdzają, że zaproponowane rozwiązanie systemu antyspoofingowego może być z powodzeniem zastosowane do wykrywania i eliminacji spoofingu w systemie GPS, co ma szczególne znaczenie w przy-padku zapewnienia bezpieczeństwa nawigacji morskiej.
Należy podkreślić, że, w przeciwieństwie do wielu konku-rencyjnych rozwiązań, nie wymaga ono zewnętrznych źródeł in-formacji ani jakichkolwiek modyfikacji sygnałów nadawanych przez satelity nawigacyjne. Ponadto, przyjęta metoda detekcji spoofingu, oparta na porównywaniu opóźnień fazowych sygna-łów, nie wymaga skomplikowanej kalibracji szyku antenowego.
Opracowany prototyp systemu może stanowić punkt wyjścia do realizacji wersji produkcyjnej. Wymagałoby to zastosowania innej platformy sprzętowej, bardziej odpowiedniej do realizacji złożonych obliczeniowo algorytmów cyfrowego przetwarzania sygnałów GPS. Taką platformą mogą być na przykład układy programowalne FPGA lub procesory kart graficznych.
Kwestią wymagającą przeprowadzenia bardziej szczegóło-wych badań jest działanie systemu w warunkach intensywnej propagacji wielodrogowej, gdzie odbite repliki sygnałów imitu-jących mogą docierać do odbiornika z różnych kierunków. W ta-kim przypadku jest wskazana niezależna eliminacja poszcze-gólnych składowych, co jednakże wymaga bardziej złożonego szyku antenowego.
LITERATURA
1. Divis D. A.: GPS Spoofing Experiment Knocks Ship off Course (http:// www.insidegnss.com/node/3659), 2013.
2. Humphreys T.: Statement on the Vulnerability of Civil Unamnned Aerial Vehicles and Other Systems to Civil GPS Spoofing, 2012.
3. Jafarnia-Jahromi A., Broumandan A., Nielsen J., Lachapelle G.: GPS Vulnerability to Spoofing Threats and a Review of Antispoofing Tech-niques. International Journal of Navigation and Observation, vol. 2012. doi:10.1155/2012/127072.
4. Kaplan E., Hegarty C.: Understanding GPS: Principles and Applica-tions, Second Edition. Artech House mobile communications series. Artech Ho-use, 2005.
5. Magiera J., Katulski R.: Detection and Mitigation of GPS Spoofing Ba-sed on Antenna Array Processing. Journal of Applied Research and Technology, vol. 13 (nr 1), 2015, 45-57.
6. Mitch R. H.: Signal Characteristics of Civil GPS Jammers. ION GNSS, Portland, Oregon, 2011.
7. Sathyamoorthy D.: Global navigation satellite system (GNSS) spo-ofing: A review of growing risks and mitigation steps. Defence S&T Technical Bulletin, vol. 6 (nr 1), 2013, 42–61.
8. Shepard D. P., Bhatti J.A., Humphreys T.E.: Evaluation of Smart Grid and Civilian UAV Vulnerability to GPS Spoofing Attacks. International Techni-cal Meeting of the Satellite Division of The Institute of Navigation (ION GNSS 2012), 2012. Nashville, USA, 3591-3605.
9. http://www.novatel.com/solutions/anti-jamming-technology/
Tabl. 1. Rozkład liczby sygnałów autentycznych wykrywanych przed i po filtracji przestrzennej
Liczba sygnałów filtracją przestrzennąCzęstość przed filtracji przestrzennej Częstość po
0 89,8% 0,0% 1 10,2% 2,0% 2 0,0% 14,6% 3 0,0% 47,6% 4 0,0% 25,4% 5 0,0% 10,0% 6 0,0% 0,4%
